基于DSP交流伺服系統(tǒng)與CAN總線的通信設(shè)計(jì)

1 DSP的CAN控制器
    TI公司的低功耗、高速DSP芯片TMS320LF2407A具有高速運(yùn)算能力和高效控制能力。其內(nèi)嵌的CAN控制器是一個完全的CAN控制器，完全支持CAN2．0B協(xié)議，它主要有以下特點(diǎn)：有6個郵箱，其數(shù)據(jù)長度為0～8 B，其中接收郵箱有局域接收郵箱屏蔽寄存器，在發(fā)送出錯或仲裁時丟失數(shù)據(jù)的情況下，有自動重發(fā)功能、可編程的位定時器和總線錯誤診斷功能。
    CAN控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

工作過程如下：CAN控制器在接收信息時，先將要接收信息標(biāo)識符與相應(yīng)接收郵箱的標(biāo)識符進(jìn)行比較，只有標(biāo)識符相同的信息才能被接收；接收信息時，將數(shù)據(jù)存入郵箱，標(biāo)識符存入相應(yīng)的寄存器；接收完成后，中斷標(biāo)志位被置位。CAN控制器在發(fā)送信息時，先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入郵箱，再設(shè)置發(fā)送請求位，發(fā)送完成后發(fā)送應(yīng)答信號和中斷標(biāo)志位被置位，如果發(fā)送失敗，發(fā)送郵箱將再次發(fā)送。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    使用CAN總線的交流伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖，如圖2所示。

上位機(jī)采用帶有CAN適配卡的通用計(jì)算機(jī)，上位機(jī)的主要功能是：通過CAN總線接口與DSP進(jìn)行通信，接收DSP傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并向節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令。節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、控制、執(zhí)行。上位機(jī)和節(jié)點(diǎn)之間通過CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。
    CAN卡采用的是研華的雙端口隔離CAN總線通信卡PCL一841。由于帶有內(nèi)置的CAN控制器，841能夠提供總線仲裁及查錯功能，可以在檢查到錯誤時自動重發(fā)數(shù)據(jù)，極大地降低了數(shù)據(jù)丟失的幾率，有效地保證了系統(tǒng)的可靠性，工作的波特率可達(dá)1 Mb／s。
    核心控制器采用TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A。2407A是電機(jī)專用控制芯片，將DSP的高速運(yùn)算能力和面向電機(jī)的高效控制能力集于一體，其高速性使復(fù)雜的控制策略得以實(shí)現(xiàn)。DSP是整個系統(tǒng)的控制核心，由其來實(shí)現(xiàn)矢量控制、SVPWM、數(shù)字PI等控制策略，完成速度、電流調(diào)節(jié)及PWM調(diào)制。DSP與CAN物理總線之間采用PCA82C250作為接口，它可提供對總線的差動發(fā)送和對CAN控制器的差動接收能力，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，通過對其引腳8(Rs)的不同連接可以實(shí)現(xiàn)3種不同的工作方式：高速、斜率控制和待機(jī)方式。接口電路如圖3所示。該系統(tǒng)將該引腳通過30 kΩ電阻接地，實(shí)現(xiàn)斜率控制方式，以降低射頻干擾。因?yàn)镈SP是3．3 V供電，而82C250用5 V供電，所以需要電平轉(zhuǎn)換電路，必要時也使用隔離電路。

電流檢測采用兩個30 mΩ的采樣電阻檢測電機(jī)兩相電流，另一相可由三相定子電流的對稱性計(jì)算得到。先通過HCPL788J將小電流信號變換為電壓信號，再經(jīng)LM324進(jìn)行放大濾波，變換為O～3．3V的單極性電壓信號送到2407A的10位A／D單元進(jìn)行轉(zhuǎn)換。速度檢測采用增量式光電碼盤，分辨率為2 500 p／r，提供A，A，B，B，Z，Z，U，U，V，V，W，W信號，其中A，B正交，Z為標(biāo)志脈沖信號，U，V，W互差120°電角度。由A，B兩個脈沖序列哪個先到達(dá)可確定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，由脈沖數(shù)和脈沖頻率可確定角位置和轉(zhuǎn)速，由U，V，W信號可確定轉(zhuǎn)子初始位置。

3 軟件設(shè)計(jì)
3．1 系統(tǒng)軟件
    系統(tǒng)軟件完成整個系統(tǒng)大部分的功能：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電流調(diào)節(jié)、矢量變換、磁場定向控制、電流計(jì)算、角度及轉(zhuǎn)速計(jì)算、鍵盤和顯示、以及通過CAN與上位機(jī)通信。
    系統(tǒng)軟件包括兩大部分：主程序和中斷服務(wù)子程序。主程序完成DSP系統(tǒng)初始化、運(yùn)行初始化、鍵盤／LCD控制、運(yùn)行過程的控制以及故障檢測及處理等，其中運(yùn)行初始化包括定時器和比較單元參數(shù)的初始化、轉(zhuǎn)子初始位置確定。在中斷子程序中，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的控制，完成電機(jī)的矢量控制策略，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制：轉(zhuǎn)速環(huán)周期為1 ms，完成轉(zhuǎn)速和位置角度的計(jì)算，計(jì)算得到的實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速的誤差通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器得到電流Q軸分量的給定值，作為電流環(huán)的輸入；電流環(huán)由PWM定時中斷實(shí)現(xiàn)，完成相電流的采樣、坐標(biāo)變換等計(jì)算，將實(shí)際值與給定值比較的誤差通過電流調(diào)節(jié)器，再進(jìn)行SVPWM脈寬調(diào)制，即可得到需要的PWM波形。
3．2 CAN通信軟件設(shè)計(jì)
    CAN總線的軟件設(shè)計(jì)包括3個主要部分：CAN芯片的初始化、信息的發(fā)送、信息的接收。CAN芯片的初始化包括位定時器的設(shè)置及對郵箱進(jìn)行初始化。設(shè)置位定時器就是對寄存器BCRl，BCR2進(jìn)行設(shè)置，確定CAN控制器的通信波特率、同步跳轉(zhuǎn)寬度、采樣次數(shù)和重同步方式。初始化郵箱主要是設(shè)置郵箱的標(biāo)識符、發(fā)送的是數(shù)據(jù)幀還是遠(yuǎn)程幀、對發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)賦初值。
     信息的發(fā)送采用查詢的方式，接收可采用中斷方式，也可采用查詢方式。流程如圖4和圖5所示。

調(diào)試時，可先編寫自測試程序(MCR的ATM位置1)，然后分別調(diào)試發(fā)送和接收模塊，最后進(jìn)行收發(fā)聯(lián)調(diào)，這樣可以加快調(diào)試進(jìn)程。需要注意的是，在自測試模式時，不需要與CAN總線相連，接收信箱接收CAN自身的發(fā)送信箱發(fā)送的信息幀，產(chǎn)生應(yīng)答信號，但是不能接收標(biāo)識符。接收信息時，注意接收屏蔽使能位AME的設(shè)置：AME=0時，禁止相應(yīng)的標(biāo)識符屏蔽，接收信箱的標(biāo)識符必須與被接收的信息標(biāo)識符相符才能接收；AME=1時，使能相應(yīng)的標(biāo)識符屏蔽，設(shè)置局部接收屏蔽寄存器(LAM)。

4 結(jié) 語
    這里主要是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，對CAN總線在變頻器系統(tǒng)中的應(yīng)用做了研究，將TMS320LF2407A用于變頻調(diào)速系統(tǒng)，充分利用DSP強(qiáng)大的運(yùn)算功能和豐富的外圍接口電路，同時，將CAN總線引入到現(xiàn)場數(shù)據(jù)的傳輸中，從而提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和容錯能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)正確、可靠、擴(kuò)展性好。CAN總線抗干擾性強(qiáng)，控制效果較好。CAN總線上如果有多個以2407A為控制核心的變頻調(diào)速系統(tǒng)，以不同的標(biāo)識符來區(qū)別各個節(jié)點(diǎn)，多節(jié)點(diǎn)DSP的硬件接口設(shè)計(jì)與單節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)完全一樣。